Ćwiczenie 8 Badanie ilaczy i stabilizatorów napięcia stałego. 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami i podstawomi parametrami układów ilaczy i stabilizatorów napięcia stałego. W trakcie ćwiczenia badane są właściwości ilaczy z prostownikiem dwu-połówkom i prostownikiem Graetza, przy różnych iążeniach, oraz trzema rodzajami stabilizatorów napięcia stałego: parametrycznym, szeregom i równoległym. 2. Wiadomości podstawo 2.1. Zasilacze Do ilania układów elektronicznych magane jest zkle źródło napięcia stałego natomiast w sieci energetycznej jest przeważnie napięcie zmienne. Z tego powodu ilacz złożony jest z transformatora dostosowującego napięcie, prostownika i filtru. Poza ilaczami o małych prądach jścioch jako prostowniki stosuje się układy dwu-połówko, aby w transformatorze lub w sieci nie płynęła składowa stała. Zkle, w celu zmniejszenia zakłóceń radioelektrycznych i przepięć wołanych krótkimi impulsami prądu wstecznego diod powstającymi podc ich łączania, każdą z diod prostownika posaża się w podłączone do niej równolegle układy RC. Niekiedy w szereg z prostownikiem włącza się rezystor mający zmniejszyć pierwszy po włączeniu ilacza impuls prądu diod, który po chwili zwiera się za pomocą styków przekaźnika, w układach mniejszej mocy tą funkcję powierza się termistorowi. Rys. 2.1.1. chematy prostowników dwu-połówkoch a) z filtrem RC b) z filtrem LR.
Rys. 2.1.2. Przebiegi napięcia jściogo C i prądu jednej diody I D w prostowniku dwu-połówkom z filtrem RC. Zkle analizę układów prostownikoch prowadzi się dzieląc c na odcinki, w których można określić aktualnie przewodzące lub nie-przewodzące diody i charakterystykę diody można tąpić jej liniom modelem. W każdym z odcinków cu oblicza się przebieg stanu nieustalonego i znacza chwilę w której prąd diody przechodzi przez zero lub napięcie na dotychc nie-przewodzącej diodzie staje się dodatnie oraz stępujące wówc napięcia na pojemnościach i prądy w indukcyjnościach. Wartości te określają koniec i zarazem początek oraz warunki początko następnego odcinka cu, w którym na nowo prowadzimy obliczenia. Mimo takich uproszczeń nie można analitycznie znaczyć np. wartości średniej napięcia na iążeniu ponieważ znaczenie końca danego odcinka cu wiąże się z rozwiązaniem równania najczęściej przestępnego (nie mającego pierwiastków dających się znaczyć analitycznie. tąd dziś do znaczenia przebiegów w prostowniku używa się nielinioch modeli diod a obliczenia konuje się za pomocą komputerów. Wynik takiej analizy dla prostownika dwupołówkogo z filtrem RC (rys. 2.1.1. a)) przedstawiono na rys. 2.1.2. W celu porównania na rysunku umieszczono przebieg napięcia R dla przypadku, gdy niema pojemności. Dla tak iążonych prostowników prąd diody płynie w cie znacznie mniejszym od półokresu i osiąga duże wartości maksymalne (przeciążenie prądo diody) a jego wartość średnia jest równa połowie wartości średniej prądu iążenia. Napięcie tętnień jest tym mniejsze im większy jest stosunek stałej R C do półokresu napięcia zmiennego. Wartość średnia napięcia jściogo jest zbliżona do wartości maksymalnej napięcia zmiennego (ta własność korzystywana jest w woltomierzach wartości szczytoj). Dlatego prostowniki z filtrem RC stosowane są chętnie przy dużych wartościach rezystancji iążenia. Na rys. 2.1.3. przedstawiono przebiegi prądu diody I D oraz napięcia jściogo prostownika z filtrem LR (schemat na rys. 2.1.1.b)). Prąd diody I D ma w tym przypadku kształt zbliżony do prostokąta (nie ma przeciążeń) a wartość napięcia tętnień jest tym mniejsza im większy jest stosunek stałej L/R do półokresu napięcia zmiennego. Również wartość średnia napięcia jściogo jest zbliżona do wartości średniej napięcia zmiennego. Dlatego prostowniki z filtrem LR są stosowane chętnie przy małych wartościach rezystancji iążenia. Rys. 2.1.3. Przebiegi napięcia jściogo i prądu jednej z diod l D dla prostownika dwu-połówkogo z filtrem LR. W prostownikach z filtrem RC komutacja przebiega następująco; najpierw przewodzi jedna dioda potem żadna następnie druga dioda potem żadna. Komutacja w prostownikach z filtrem LR przebiega
odmiennie; najpierw przewodzi jedna dioda potem obie następnie druga dioda potem obie. Ten sposób komutacji jest muszony przez indukcyjność L, która dąży do utrzymania płynącego przez nią prądu na niezmiennym poziomie. W cie gdy przewodzą obie diody transformator pracuje na zwarcie o szybkości zmian prądu decyduje indukcyjność zwarcia transformatora oraz sieci ilającej. Widoczne na rys. 2.1.4. niewielkie przeleżenie prądu powodowane jest przez prąd wsteczny diody łączającej (patrz własności dynamiczne diod) zaś drobne oscylacje prądu wołane są indukcyjnością zwarcia transformatora i pojemnościami diod. Rys. 2.1.4. Przebiegi prądów diod w prostowniku dwu-połówkom z filtrem LR w cie komutacji. Na rys. 2.1.5. przedstawiono uproszczone charakterystyki jścio prostowników bez filtru R i z filtrami RC oraz RL. Z uwagi na wbudowaną na jściu każdego prostownika pojemność montażową wszystkie charakterystyki przy braku prądu iążenia powinny rozpoczynać się od wartości maksymalnej napięcia zmiennego. Aby tego uniknąć na jściu prostownika często pojawia się iążenie wstępne. Niekiedy rolę takiego iążenia spełnia prąd wsteczny diod oraz prąd upływu izolacji. tąd nie zaleca się dołączenia iążenia wrażligo na przepięcia do włączonego prostownika (napięcie maksymalne może dla prostownika jedno-połówkogo być trzy razy większe od napięcia średniego). Rys. 2.1.5. Charakterystyki jścio prostowników. padek napięcia jściogo prostownika przy wzroście prądu iążenia wołany jest przez impedancję transformatora i sieci prądu zmiennego oraz spadkiem napięcia na diodach i rezystancji uzwojenia indukcyjności filtru. zczególnie duży spadek napięcia dla prostownika z filtrem RC powodowany jest przez zmianę stałej coj filtru oraz krótkim cem przepływu prądu przez diody. 2.2. tabilizatory napięcia stałego kłady pomiaro i układy o działaniu opartym na elementach silnie nielinioch, w których dla ich działania istotne jest położenie punktu pracy np. generator z diodą tunelową magają do swojego ilania napięcia stałego o wartości w miarę niezmiennej. tałość napięcia w sieci energetycznej (wg normy w sieciach oświetlenioch 5%) w tych przypadkach jest zkle niestarczająca i stąd pojawia się konieczność stosowania układów stabilizujących napięcie ilania. Każdy stabilizator napięcia złożony jest ze źródła napięcia odniesienia, układu porównującego napięcie jścio z napięciem odniesienia, wzmacniacza błędu i układu sterującego napięcie. Oznacza to, że stabilizator napięcia jest typom automatycznym regulatorem stałowartościom. kładem konawczym
(sterującym napięcie) stabilizatora, jeśli nie uwzględnić układów impulsoch, jest zazczaj sterowany dzielnik napięcia dlatego te stabilizatory magają napięcia ilania większego od napięcia jściogo. Na ogół w tym dzielniku napięcia tylko jeden z oporników jest sterowany (patrz rys. 2.2.1). Rys. 2.2.1. posoby połączenia elementu sterowanego z iążeniem a) równoległy b) szerego. Odpowiednio do sposobu połączenia elementu sterowanego (zkle tranzystora) z iążeniem mówimy o stabilizatorach szeregoch b) i równoległych a). W przypadku, gdy jako element sterowany w stabilizatorze równoległym jest tosowana np. dioda Zenera mówimy o stabilizatorze parametrycznym. W stabilizatorze równoległym element sterowany nie jest narażony na zwarcie iążenia R. Moc pobierana ze źródła V CC nie zależy od iążenia (w zakresie stabilizacji napięcia jściogo) stąd sprawność takiego stabilizatora maleje wraz ze zmniejszaniem prądu jściogo. Nadto taki stabilizator tłumi przepięcia powstające w iążeniu bez zbytniego narażenia elementu sterowanego tym niemniej z uwagi na stałą sprawność niezależną od iążenia częściej stosuje się stabilizatory szerego. Na rys. 2.2.2. przedstawiono ogólny schemat ideo stabilizatora napięcia. Na tym rysunku: 0 - źródło napięcia odniesienia, zkle stabilizator parametryczny K - wzmacniacz napięcia wraz ze stopniem mocy R 1 R 2 - czwórnik sprzężenia zwrotnego o tłumieniu p R 2 /(R 1 +R 2 ) R - rezystancja iążenia Rys. 2.2.2. Ogólny schemat ideo stabilizatora napięcia. Napięcie jścio takiego układu można razić zależnością: k 0 1 + kβ Przyjmując, że x jest zmienną od której zależy wzmocnienie wzmacniacza i napięcie odniesienia, tą zmienną może być np. napięcie ilania, temperatura otoczenia, prąd iążenia itp. pochodna napięcia jściogo względem x niesie: d k d 0 1 + 0 dx 1+ kβ dx + β 2 dk ( 1 k ) dx
Z zależności tej nika, że przy dużym wzmocnieniu wzmacniacza, największy wpływ na stałość napięcia jściogo stabilizatora ma stałość napięcia odniesienia i stałość tłumienia β. tąd, podc projektowania stabilizatora na stałość tych parametrów musimy zwrócić szczególną uwagę. Ogólnie napięcie jścio stabilizatora można przedstawić jako funkcję zmiennych takich jak, napięcie ilania, prąd iążenia, temperatura otoczenia, c pracy stabilizatora itp. o postaci: f ; I ; T t Różniczka zupełna napięcia jściogo niesie: d d + I ( ) ; di + T dt + t Przechodząc do przyrostów skończonych i wprowadzając no oznaczenia: u R I + T T + t t Gdzie: u - współczynnik stabilizacji napięcia R - rezystancja jściowa T - Wpółczynnik temperaturo t - względna zmiana napięcia po cie np. po roku Niżej podano wzory definicyjne tych wielkości: ln u R ln I T T dt 1 Ponadto, w literaturze można spotkać inne parametry określające jakość stabilizatora jak; Niezawodność lub oczekiwany bezawaryjny c pracy Częstotliwość i względna zawartość napięcia tętnień odniesiona do napięcia jściogo (dotyczy to łącznie stabilizatorów impulsoch) prawność energetyczna Natomiast, głównymi parametrami stabilizatora określającymi jego przydatność do konkretnego tosowania są; Napięcie jścio lub jego zakres zmian - w przypadku, gdy to jest możli Maksymalne i minimalne napięcie ilania Maksymalny i minimalny prąd iążenia Maksymalny prąd pobierany z ilacza 3. Badanie charakterystyk iążenia ilaczy z filtrami typu R, RC i RL. t t W układzie jak na rysunku zdjąć charakterystyki iążenia 0 f(i 0 ) dla prostowników dwupołówkogo lub Graetza z iążeniami typu R, RC i RL. Zaobserwować na oscyloskopie przebiegi
prądu w diodach prostowniczych i tętnienia napięcia jściogo dla obydwu układów prostowników. Podc obserwacji prądu przy iążeniu typu RL zwrócić uwagę na komutację. 4. Badanie stabilizatora parametrycznego. W układzie jak na rysunku znaczyć: współczynnik stabilizacji u i następujące charakterystyki: f( ), P f( ). P f( ), ηf( ) przy I const. Korzystając z charakterystyki f( ) znaczyć średni współczynnik stabilizacji i porównać go z obliczonym na podstawie wzoru: u ln ln rd R + r d gdzie r d 0,8Ω rezystancję jściową r i następujące charakterystyki: f(i ), P f(i ). P f(i ), ηf(i ) przy const. Korzystając z kresu f(i ) znaczyć rezystancję jściową r i porównać ją z obliczoną na podstawie wzoru: Rrd r I R + r d 5. Badanie stabilizatora szeregogo. W układzie jak na rysunku znaczyć: średni współczynnik stabilizacji i następujące charakterystyki: f( ), P f( ). P f( ), ηf( ) przy I const. rezystancję jściową i następujące charakterystyki: f(i ), P f(i ). P f(i ), ηf(i ) przy const.
6. Badanie stabilizatora równoległego. W układzie jak na rysunku znaczyć : średni współczynnik stabilizacji i następujące charakterystyki: f( ), P f( ). P f( ), ηf( ) przy I const. rezystancję jściową i następujące charakterystyki: f(i ), P f(i ). P f(i ), ηf(i ) przy const. 7. Wykonanie sprawozdania ad 3 prawozdanie powinno zawierać zaobserwowane przebiegi prądów i napięć z uwzględnieniem położenia zera, niki pomiarów, charakterystyki jścio konane na wspólnym kresie i wnioski płynące z konanych pomiarów. ad 4 prawozdanie powinno zawierać niki pomiarów i obliczeń, kresy odpowiednich charakterystyk, porównanie pomierzonych i obliczonych współczynników stabilizacji oraz rezystancji jścioj, wnioski płynąca z konanych pomiarów i obliczeń. ad 5 prawozdanie powinno zawierać niki pomiarów i obliczeń, kresy odpowiednich charakterystyk, pomierzone współczynnik stabilizacji oraz rezystancję jściową wnioski płynące z konanych pomiarów i obliczeń. ad 6 prawozdanie powinno zawierać niki pomiarów i obliczeń, kresy odpowiednich charakterystyk, pomierzone współczynnik stabilizacji oraz rezystancję jściową wnioski płynące z konanych pomiarów i obliczeń. 8. Literatura:. eely - kłady elektroniczne. Filipkowski - kłady elektroniczne analogo i cyfro. J. Pawłowski - kłady elektroniczne część druga Notatki z kładu.